金大勇

(遼寧省冶金地質(zhì)勘查局四0二隊，遼寧鞍山 114000)

建筑樁基礎(chǔ)常規(guī)的設(shè)計方法，是將上部荷載全部由樁來承擔(dān)，沒有考慮到承臺下地基土所起到的承載作用。然而近年來承臺下地基土分擔(dān)荷載的可能性已為大量的工程實踐及現(xiàn)場試驗所證實。如果按照傳統(tǒng)的方法進行設(shè)計，沒有考慮地基土的作用，會盲目的增加樁的用量，造成很大的浪費［1-3］。因此要研究在基礎(chǔ)沉降控制得到滿足的前提下，發(fā)揮承臺下地基土的承載能力，通過設(shè)置相對較少的樁滿足基礎(chǔ)的荷載及變形條件，節(jié)約工程造價［4-6］。本文以鉆孔灌注樁為研究對象，以數(shù)值仿真為手段，通過改變樁體周圍土體特性，研究對灌注樁承載力的影響所產(chǎn)生的規(guī)律，以便為樁土共同作用分析設(shè)計提供依據(jù)。

1 工程概況

工程場地布設(shè)地質(zhì)勘探孔6個，最大探深34.00 m，總進米169.60 m;原位測試中標(biāo)貫21次，并進行了重型動力觸探實驗。根據(jù)勘察及原位測試實驗得出了地基承載能力及土層物理力學(xué)參數(shù)，為計算分析奠定了基礎(chǔ)。

1)該場地地層較為簡單，變化不大。2)①雜填土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。3)②粉土層不能作為天然地基淺基礎(chǔ)持力層。4)③中粗砂及④礫砂含角礫層分布較為均勻。5)⑤中風(fēng)化巖為場地內(nèi)穩(wěn)定地層，無軟弱夾層及下臥層，強度較高，可以作為橋墩基礎(chǔ)持力層，建議采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ)形式。

該場地為中硬場地土，場地類別為Ⅱ類?？拐鹆叶?度，標(biāo)準凍結(jié)深度為1.40 m。

2 有限元仿真模擬

2.1 本構(gòu)模型

1)采用彈性材料對樁體進行模擬。樁體材料由胡克定律可表示為:

其中，{σ}為應(yīng)力增量;{ε}為應(yīng)變增量;［D］為彈性矩陣。

2)Mohr-Coulomb彈塑性屈服準則。采用Mohr-Coulomb材料對土體進行模擬，其分層按照實際簡化地層進行建模。根據(jù)極限狀態(tài)應(yīng)力圓與強度包線的幾何關(guān)系，Mohr-Coulomb屈服準則可表示為:

或:

在三維主應(yīng)力空間中σ1＞σ2＞σ3條件下，其破壞面可采用與式(2)相似的屈服函數(shù)表示為:

在主應(yīng)力空間中M-C準則的屈服面是一個以空間對角線為對稱軸的六角錐面，六個錐角三三相等。在扁平面或平面上的屈服曲線是六個錐角三三相等的六邊形。M-C準則在p-q平面上的屈服曲線，在其他平面上也有相應(yīng)的屈服函數(shù)和屈服曲線形式。

2.2 材料參數(shù)

經(jīng)過初期現(xiàn)場勘探及室內(nèi)材料參數(shù)試驗獲得土層參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)表

2.3 模擬思路

1)邊界條件。根據(jù)工程情況建立3D實體模型進行模擬，有限元模型側(cè)面采用水平約束，底面采取固定約束。采用實體單元類型，節(jié)點自由度為3個平移自由度;材料參數(shù)按照地質(zhì)勘察資料進行選取。

2)荷載條件。將上部傳遞的荷載等效均布于樁頂，進行樁土作用分析。

3)建立模型。樁體加載示意圖如圖1所示。

圖1 有限元加載模型

2.4 模擬結(jié)果與荷載試驗對比分析

以該項目3號樁為研究對象，將單樁靜載實驗和單樁3D模擬仿真進行對比分析，模擬仿真參數(shù)均取值于工程地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)，單樁靜載數(shù)據(jù)取自于實測實驗。

如圖2所示，樁頂加載10 000 kN以內(nèi)，模擬值與計算值接近，說明有限元數(shù)值模擬精度較高，但模擬值更接近于線性變化。原因在于模擬值計算過程中將樁體及土層進行了相應(yīng)的簡化，與實際土體、樁體參數(shù)不完全相符所導(dǎo)致。樁體加載實驗加到10 000 kN便進行了卸載，因此沒有后半程曲線，模擬值中所表示10 000 kN以上樁頂位移開始擺脫線性變化，變?yōu)槎冈?，因此可以確定樁基已經(jīng)達到了極限承載能力。

圖2 實驗值與模擬值對比圖

3 土體特性影響因素分析

3.1 樁周土體粘聚力影響

研究樁周土體的粘聚力對大直徑鉆孔灌注樁豎向承載力的影響，該次仿真計算中選取樁長為40 m，樁徑為1.0 m進行有限元計算分析，計算中其他參數(shù)均與前述相同。樁周土體粘聚力如圖3所示。

圖3 粘聚力影響因素曲線

由圖3可見，粘聚力增加，則樁基承載能力增加，尤其是從0 kPa增加到1 kPa，承載能增幅最大。粘聚力從1 kPa繼續(xù)增加，則樁基承載能力增幅較小，粘聚力5 kPa增加到10 kPa增幅最小。由此可以看出粘聚力的增加對于樁基承載力的增加影響極為有限。

3.2 樁側(cè)土體強度的影響

研究樁側(cè)土體強度對樁基承載力的影響，土體強度用土體變形模量變化進行仿真分析。該次仿真計算中選取樁長為40 m，樁徑為1.0 m進行有限元計算分析，計算中其他參數(shù)均與前述相同。土體變形模量如圖4所示。

圖4 土體強度影響因素曲線

由圖4可見，樁周土體強度的增加對樁基承載力的提高有很大影響，從1 MPa～50 MPa，變形模量增幅越大，對于樁基豎向承載力的提高也就越加明顯，但從50 MPa～100 MPa則對于樁基礎(chǔ)豎向承載能力的提高影響較小。模擬過程中根據(jù)條件，該大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)屬于摩擦樁，樁側(cè)阻力作用非常重要，因此樁側(cè)土體強度提高則會大幅度提高樁基承載力，樁基礎(chǔ)的沉降也隨之減小。

3.3 樁與土體摩擦系數(shù)影響

研究樁側(cè)土體與樁體之間的摩擦系數(shù)因素對樁基承載力的影響，通過設(shè)置摩擦系數(shù)來達到研究目的。該次仿真計算中選取樁長為40 m，樁徑為1.0 m進行有限元計算分析，計算中其他參數(shù)均與前述相同。土體摩擦系數(shù)如圖5所示。

圖5 摩擦系數(shù)影響因素曲線

由圖5可見，隨著樁頂荷載的增加，前階段樁頂位移與豎向承載力基本呈線性增大。樁基豎向承載能力隨著摩擦系數(shù)的增加而迅速增大，表明摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致樁土之間的摩阻力大幅增加，對于這種大直徑摩擦樁的豎向承載力的提高顯著。因此施工中可以通過增加摩阻力的方式來提高樁基豎向承載能力。

4 結(jié)語

1)通過有限元軟件ADINA仿真模擬結(jié)果與加載試驗對比結(jié)果分析可知，仿真計算結(jié)果較為準確，根據(jù)模擬曲線特征判斷加載10 000 kN樁基已經(jīng)達到了極限承載能力。

2)粘聚力的增加對于樁基承載力的增加影響極為有限;該大直徑鉆孔灌注樁基礎(chǔ)屬于摩擦樁，樁側(cè)阻力作用非常重要，因此樁側(cè)土體強度提高則會大幅度提高樁基承載力，樁基礎(chǔ)的沉降也隨之減小。

3)摩擦系數(shù)增大導(dǎo)致樁土之間的摩阻力大幅增加，可以通過增加摩阻力的方式來提高樁基豎向承載能力。

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